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第1章、绪论+X射线物理学基础

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01X射线物理学基础

01X射线物理学基础

电磁波的种类：电磁波谱
波长
λ
名称
5×10-3 ～0.1
0.1～10
10～200
200～400
γ 射线
x射线
远紫外光
近紫外光 1.0×109 1.0×1012 ～
波长
λ
名称
400～750
750～ 1.0×106
1.0×106 1.0×109
～
可见光
红外光
微波
无线电波
X射线的物理学基础
射 线
10-2 nm 10 nm
X射线的物理学基础
光电效应
定义：当激发二次特征辐射时，原入射X射 线光量子的能量被激发出来的电子吸收转 变为动能，使电子逸出原子之外，这种电 子称为光电子。 发生光电效应时，物质将大量吸收入射X射 线的能量，使原X射线强度明显减弱。在选 靶时应避免。
X射线的物理学基础
俄歇效应
定义：原子在入射X射线光子或电子的作用下失 掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位 时，剩余的能量不是释放，而是促使L层的另一个 电子跳到原子之外。
X射线的物理学基础
试验规律
增加X射线管压，相对强度增高，
λm和短波限λ0变小。
管压恒定，增加管流，相对强 度一致增高，但λ0和λm数值大 小不变。 各种波长的相对强度随靶元素 的原子序数增加而增加。
图 1-2
X射线的物理学基础
短波限λ0
连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为
短波限λ0。它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产
生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素 的影响。 根据量子力学观点：能量为 eV 的电子和阳极靶 碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应不大

X射线物理学基础

X射线物理学基础

3. X射线的产生--装置

（4） 窗口：X射线射出的通道。窗 口一般用对X射线穿透性好的轻金属 铍密封，以保持X射线的真空。一般X 射线管有四个窗口，分别从它们中射 出一对线状和一对点状X射线束。
3. X射线的产生--装置
（5）X射线管的基本电气电路与X射线的产生: X射 线管的基本电气电路见图。在阴极通电流，在灯丝 上产生大量的电子。在阴极和阳极之间加高电压。 使阴极产生的电子向阳极运动，并轰击阳极产生X 射线。
4. X射线谱—连续谱
自由电子被原子核吸引，产生加速度， 损失能量. 以连续X射线的方式发射.
钨靶连续x射线谱
连续谱的产生机理
按量子理论，当能量为eV的高速的电子 撞击靶中的原子时，电子失去自己的能量。其 中大部分转化为热能。一部分以光子（X射线） 的形式幅射出。每撞击一次就产生一个能量为 hv的光子。由于单位时间内到达靶表面的电子 数量很多。若管流为10mA，每秒到达阳极靶 的电子可达6.25×1016个。大多数电子还经过 多次碰撞。因此，各个电子的能量各不相同， 产生的X射线的波长也就不同。于是产生了一 个连续的X射线谱。
连续谱的特点
3）连续X射线的总强度与管电流i、管电 压V、阳极靶的原子序数Z存在如下关系：
I KiZV
2
式中，K为常数，此实验测得K=（1.1-1.5）*10-9
强度随管流、管压和靶材的原子序数的增 大而增大。当需要连续X射线时，采用重元素 的靶能得到较强的连续X射线。
4. X射线谱--特征谱
Hale Waihona Puke 相干散射特点A、与物质原子中束缚较紧的电子作用。 B、散射波随入射X射线的方向改变了，但频 率（波长）相同。 C、各散射波之间符合振动方向相同、频率 相同、位相差恒定的干涉条件，可产生干涉 作用。

放射诊断学第一章绪论——第一节X线检查的基本原理和方法

放射诊断学第一章绪论——第一节X线检查的基本原理和方法

第⼀章　绪论 临床放射学（Clinical Radiology）含X线诊断学及放射治疗学。

X线诊断学（Diagnostic Roentgenology）是应⽤X线特性，通过⼈体后在透视荧光屏或照⽚上显⽰正常和异常的影像，结合基础医学和临床医学的知识，加以分析、归纳，作出诊断的⼀种科学。

它不仅⽤以诊断疾病，还可以观察临床的治疗效果，亦可以⽤于预防医学，如体检、防痨、肿瘤、职业病和地⽅病等的普查防治。

X线诊断学是本门课程的主要内容。

放射治疗学（Radiotherapeutics）包括X射线、60钴及电⼦加速器等治疗机，应⽤其物理特性对⾝体各部位的肿瘤进⾏治疗的⼀种科学，将在本讲义第⼋章进⾏简要介绍。

近⼗年来由于电⼦科学进展，显像⼿段多样化，临床放射学的诊断部分得到许多扩充，影像诊断不只限于X线诊断，还包括超声，γ闪烁摄影、CT、MRI等，综合称为影像诊断（Imagediagnosis），亦称医学影像学（Medical imagiology）。

第⼀节　X线检查的基本原理和⽅法 ⼀、X线的特性 X线是⼀种波长很短的电磁波，是⼀种光⼦，诊断上使⽤的X线波长为0.08－0.31埃（埃A=10-8cm），X线有下列持性（主要应⽤于医学⽅⾯）： （⼀）穿透性 X线能穿透⼀般可见光所不能透过的物质，包括⼈体在内。

其穿透能⼒的强X线的波长以及被穿透物质的密度与厚度有关。

X线波长愈短，穿透⼒就愈⼤；特质密度愈低，厚度愈薄，则X线愈易穿透。

在实际⼯作中，常以通过球管的电压伏值（Kilovolt，KV）的⼤⼩代表X线的穿透性（即X线的质），⽽以单位时间内通过X线的电流（milliampere，mA）与时间的乘积代表X线的量。

（⼆）荧光作⽤ X线波长很短，⾁眼看不见，但照射在某些化合物（如钨酸钙，硫氧化钆等）被其吸收后，就可发⽣波长较长且⾁眼可见的荧光，荧光的强弱和所接受的X线量多少成正⽐，与被穿透物体的密度及厚度成反⽐。

第1章 X射线物理学基础

第1章 X射线物理学基础

1、特点
1）强度随波长而连续变化，每条曲线都对应有一个最短的波长 （短波限λ0）和一个强度的最大值。最大值一般在1.5λ0地方。
2）λ0与管流和靶的材料无关，只与管压有关，二者之间的关系： λ0=1.24/V(nm) 随着管压的增大，λ0向短波方向移动。
3）连续X射线的强度不仅与管压有 关，还与管流和靶材有关。
X射线的产生常用的方式: X射线管和同步幅射X射线源
常用X射线管的结构：
第一章 X射线物理学基础
三、X射线的产生与X射线管
1 常用的靶材：Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag 2 冷却系统：当电子束轰击阳极靶时， 其中只有1%能量转换为X射线，其余的 99%均转变为热能。因此， 阳极的底 座一般用铜制作。使用时通循环水进 行冷却。以防止阳极过热的熔化。 3 窗口：X射线射出的通道。窗口一般用 对X射线穿透性好的轻金属铍密封，以 保持X射线的真空。一般X射线管有四 个窗口，分别从它们中射出一对线状 和一对点状X射线束。
λKα= 2/3λKα1+1/3λKα2
λ Kα = 2/3λ Kα 1+1/3λ Kα 2
第一章 X射线物理学基础
四、X射线谱
说明： 1) 激发电压对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子序数Z所决定。 2) 阳极靶不同产生的特征X射线的波长不同。 3）工作电压一般是激发电压的3-5倍。因为当工作电压激发电压的3-5倍时， I特/I连最大。 4）实验中最常用的特征X射线是Kα。最常用的靶材是Cu和Fe。 5） λKα= 2/3λKα1+1/3λKα2,有时需要注意区分Kα1和Kα2。
第一章 X射线物理学基础
二、X 射线的本质
2、X射线粒子性：

第一章+X射线物理基础

第一章+X射线物理基础
临界条件：
eK U E K W K hK
精选2021版课件X射线物理学基础
130
适宜工 作电压
阳极靶材的原子序数越大，同一辐射的激发电压越高！
精选2021版课件X射线物理学基5:1
• K系特征X射线一般由Kα、Kβ二谱线构成。 • Kα辐射是由L→K层电子跃迁产生， Kβ辐射是由M→K层
1901年，伦琴获诺贝尔物理学奖。 之后建立了“X射线透射学”，最早应用于医学，后应用于工业无损探伤。
精选2021版课件X射线物理学基础
12
• ②1912年，德国物理学家“劳 埃”发现了X射线在晶体中的 衍射现象。
• （1）X射线是波长极短的电磁波， 与晶体中原子间距离同数量级；
• （2）晶体由原子（或原子团）在三 维空间周期性重复排列而成。
精选2021版课件X射线物理学基础
129
② 激发电压
• 激发电压—激发靶材辐射出某特征X射线所需的管 电压的临界值，称为该靶面物质的该系激发电压。 按被激发系列标以UK、UL、 UM …等 。
• UK＞UL＞UM…；
解释：以K系辐射为例： 欲击出靶材原子内层电子，比如 K层电子，必须满足：
eU W KE K
精选2021版课件X射线物理学基础
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2、X射线的波粒二象性
• 波动性的表现：以一定的频率和波长在空间传播， 例如以晶体作衍射光栅时观察到的X射线的衍射现 象；
• 描述波动性的物理量：频率ν、波长λ
• 粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一 定的质量、能量和动量，如光电效应等。
• 描述粒子性的物理量：能量E、动量P
精选2021版课件X射线物理学基础
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二、 X射线管
• 1、封闭电子式X射线管的结构

第一章X射线物理学基础

第一章X射线物理学基础

第一章X射线物理学基础第一章 X 射线的物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别？X 射线性质：(1)X 射线穿透物质时可被吸收；(2)原子量及密度不同的物质，对X 射线的吸收不同；(3)轻原子物质对X 射线来说几乎是透明的，而重元素物质对X 射线的吸收非常显著；(4)可穿透不透明的物质。

本质：属于电磁波。

X 射线的波长：大约在0.01~100 ?之间。

X 射线和可见光本质上同属于电磁波，只不过彼此占据不同的波长范围而已；X 射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X 射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。

不能象可见光一样使X 射线会聚、发散、和变向，使得X 射线无法制成显微镜！2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是什么？X 射线的管电压：加载到阴极和阳极侧之间的电压。

（KV ），50KVX 射线的管电流：在阴阳两极电场作用下，向阳极运动，形成的电流。

（mA ）50mA3、X 射线的焦点与表观焦点的区别与联系？焦点：阳极靶表面被电子束轰击的地方，正是这个区域发射X 射线。

对于长方形焦点的X 射线管，引出窗口很重要。

对着焦点长边开设的窗口发射出X 射线的表观焦点为线状（称为线焦斑），其强度较弱，但其水平发散度小，分辨率较高，线性较好，粉末衍射仪多采用线焦斑；对焦点短边开设的窗口发射出的X 射线的表观焦点则为正方形（称为点焦斑），强度较高，可使衍射线明锐，适合于织构测定及德拜、劳埃照相场合。

4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件是什么？产生的机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？硬X 射线：波长较短的硬X 射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。

[]第一章X射线物理学基础

[]第一章X射线物理学基础

电子能级间的能量差并不是均等分布的，愈靠 近原子核，相邻能级间能量差愈大，所以同一 靶材的Ｋ、Ｌ、Ｍ系谱线中，以 K 系谱线的波 长最短，而L系谱线的波长又短于M系；
K L M
此外，在同一线系各谱线间，如在 K 系谱线中， 必定有：
K K K
原子中同一壳层上的电子并不处于同一能量状态，而分 属于若干个亚能级。如 L 层中的 8 个电子分属于 LⅠ 、 LⅡ 、 LⅢ 三个亚能级； LⅠ 亚能级上的电子不能跃迁到 K 能级上 （选择定则），所以Kα 线是电子从LⅢ 到K（ Kα １ ） 、 LⅡ 到K（ Kα ２ ） 跃迁时辐射出来的Kα １ 和Kα ２两根 谱线组成， LⅢ层上的四个电子跃迁到K层的几率比LⅡ 层 的两个电子跃迁到K层的几率大一倍，所以组成Kα 线的两 根线的强度比为二比一。双线的波长相差很小，在结构 分析中常用的K系谱线中： 4 104 nm
第一部分：X射线衍射分析
1 X射线物理学基础
1-1 X射线的本质 1-2 X射线谱 1-3 X射线与物质的相互作用
1-4 X射线的防护
1-5 总结
1895年伦琴发现X射线以后很长一段 时间内，人们只认识到这种肉眼看不见 的、穿透能力很强的射线所呈现出来的 一些现象特征，诸如穿越磁场时不偏转； 能使底片感光，使荧光物质发光和使气 体电离；对生物细胞有杀害作用等。直 到发现了晶体的衍射现象和康普顿效应 以后，人们才逐步揭示X射线的真谛。
小结
连续X 射线是高速运动的电子运动受阻而减 速时，由于能量降低而产生的辐射，其波长 可以是任意值，它不需要击出靶材原子的内 层电子；
特征X 射线是在靶材原子的内层电子被击出 以后，外层电子向内层跃迁时产生的；对于 确定的元素其波长是特定的。

X射线物理学基础

X射线物理学基础

铬 Cr（24） 铁 Fe（26） 镍 Ni（28） 铜 Cu（29） 钼 Mo（42） 银 Ag（47）
229.09 193.73 165.91 154.18 71.07 56.09
滤色材料（原子序 数）
钒 V（23） 锰 Mn（25） 钴 Co（27） 镍 Ni（28） 锆 Zr（40） 钯 Pd（46）
常用于结构测定 λ=50~250 p m
=248×102 ~9960 e V
特征 X 射线
X
1.2 X射线的 光 管 示 意 图
1.3 X射线谱
1. 连续 X 射线
白
特
色
征
X
射 线
射 线
1
Cu 靶 产 生 的 X 射 线 谱
1234500
2
V (伏）
E = mv2 = eV
min = hc/E= hc/eV =
pm
2. 特征X射线
Cu（K1）：
154.056pm；
（K2）：
154.439pm；
平均（K）：
154.18pm
（K）：
139.222pm
在K系谱线中，一定满足以及K K K K K K
Ka线要比K线的强度大5倍左右，这是因为电子由
L→K层跃迁的几率比由M→K跃迁的几率大5倍左 右。同理, I K1 : I K 2 2 :1
围绕X射线发现、1901年 伦琴(英)
获诺贝尔物理奖
发展和应用而 1914年 劳埃(德)
获诺贝尔物理奖
进行科研工作 1915年 布拉格父子(英) 获诺贝尔物理奖
的科学家获诺 贝尔奖的就有 近卅人之多
1936年 德拜(英/荷) 1962年 奥森等3人 1964年 霍奇金(英/埃) 1985年 豪普特曼等2人

chapter 1-X射线物理学基础

chapter 1-X射线物理学基础

KLL俄歇电子
光电效应小结
光电子 被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有 壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析 (XPS)
俄歇电子 高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另 一个电子送出去,这个被送出去的电子就是 俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)
荧光辐射
高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式 发出。这个二次X射线就是二次荧光，也称荧 光辐射。同样带有壳层的特征能量。 大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底， 使图象不清晰。
1895年伦琴初次发现X射线时， 拍摄的他夫人手指的X射线照
• 1895-1897年伦琴搞 清楚了X射线的产生、 传播、穿透力等大部 分性质
• 1910年，伦琴因X射线的 发现而获得第一个诺贝尔 物理学奖。
• 1912年劳埃进行了晶
体的X射线衍射实验
•1910年第一张诺贝尔物理学奖授予W. K. 伦琴
②X射线具有粒子性
X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连 续粒子流。这些粒子称为光量子，并具有能量 E 和动量P。
E = hν =
hc
λ
hv P = h/λ = c
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、X射线的产生： X射线是高速运动的粒子与某种物质相 撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电 子相互作用而产生的。
俄歇效应激发二次特征辐射时原子中一个k层电子被激发出来后l层的一个电子将跃入k层填补空白剩下的能量将促使l层的另一个电子跳到原子之外既k层的一个空白被l层的两个空位所代替此过程称为俄歇效kll俄歇电子光电效应小结光电子被x射线击出壳层的电子即光电子它带有壳层的特征能量所以可用来进行成分分析xps俄歇电子高能级的电子回跳多余能量将同能级的另一个电子送出去这个被送出去的电子就是俄歇电子带有壳层的特征能量aes荧光辐射高能级的电子回跳多余能量以x射线形式发出

X射线的物理学基础

X射线的物理学基础

用数学式子表示波函数：
E
H
y t E 0 exp[ 2i( ) )] T 2 y t H 0 exp[ 2i( ) )] T 2
H
c 0
E
式中： y:所研究的位置离光源的距离； t:时间；λ:波长；T：周期； φ：初位相角；c：光速； ε0：真空介电常数
第一节 X射线的性质
X射线是波长为0.01～10nm范围的电磁波，它与可见光 红外线、宇宙射线等相类似。它在电磁波谱中的位置如图1-1
①波动性 X射线的性质 以一定的频率和 波长在空间传播
②粒子性
由大量的不连 续粒子流组成
X射线
图1-1 电磁波谱
①波动性
X射线沿着y方向传播时，同时具有电场强度E和磁场强 度H，这两个矢量总是以相同的周相，在两个相互垂直的平 面内作周期振动且于y方向相垂直。传播速度等于光速。
第二节 X射线的产生及X射线谱
2.1 X射线的产生 2.2 X射线谱
2.1 X射线封闭电子式X射线管
图1-3（b）封闭电子式X射线管结构示图
焦点的形状和尺寸是X射线管 的重要特性之一。 ①希望有较小的焦点，可 提高分辨率。
②希望有较强的X射线强 度，可缩短曝光时间。
h
p h
hc


式中：h为普朗克常数，6.625×10-34 JS c为光速，2.998×108 m/s λ为X射线的波长 ν为X射线的频率
X射线的强度用粒子性的观点描述：
单位时间内通过垂直于传播方向单位面积 光量子数与光量子能量的乘积。
波粒二象性是X射线的客观属性：
波动性反映在物质运动的连续性，在传播 过程中可发生干涉、衍射等现象。粒子性 特征突出表现在物质的相互作用和能量的 相互交换。

第1章 X射线的物理学基础

第1章 X射线的物理学基础

同步辐射光的特性
• 可精确预知：同步辐射光的光子通量、 角分布和能谱等均可精确计算，因此它 可以作为辐射计量———特别是真空紫 外到 X射线波段计量———的标准光源。 • 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、 高通量、微束径、准相干等独特而优异 的性能。
• 已运行的SR装置 70~ 80多个 • 正在建设和计划中 ~ 20多个 • 关于世界各地同步辐射装置的状况详细信 息可以从下列两个网站得到： /SRWORLD/index.html • http: ///srsources.html • （SR装置的水平是国家经济实力的标志）
同步辐射光的特性
• 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从 远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连 续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波 长的光。
• 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动 方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小， 几乎是平行光束，堪与激光媲美。
• 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子 轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从 特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。
1.1.2 X射线的产生
• 大量实际所用X射线是由X射线管产生的， 不论是探伤用X光机还是照相法用的X光机 和X射线衍射仪， • 都包括：高压发生器（包括整流部分），控 制线路、X射线管及探测记录系统。其中， X射线管和探测记录系统是X射线仪特有的。 • 本节主要介绍X射线管，而探测系统将在后 面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部 分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。
• • • •
X射线的性质： 1）X射线能使照相底片感光； 2）X射线有很大的贯穿本领； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电 离； • 4）X射线是不可见光，它能使某些物质 发出可见光的荧光； • 5）X射线本质上是一种电磁波，同此它 具有反射、折射、衍射、偏振等性质

第1章X射线物理学基础

第1章X射线物理学基础

式中： K——与靶材物质主量子数有关的常数； σ——屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关。

成为X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。
第一节 X射线的性质
一、 X射线的波动性

14
X射线属电磁波，同时具有波动性和粒子性。 1、波动性表现为以一定频率和波长在空间传播，具有干涉与 衍射现象；描述参量：频率ν和波长λ 。 2、同时有电场矢量E和磁场矢量H，以相同周相，在两相互 垂直平面内作周期振动，且与传播方向垂直，以光速呈直线 传播。X射线衍射分析主要由电场矢量E引起的物理效应。
IA

2
2、X射线强度－－用粒子性观点描述： 单位时间内通过与传播方向相垂直的单位截面的光量子数目。 3、绝对强度单位是J／(m2· s)，但难以测定，常用相对强度， 如：底片相对黑度、探测器（计数管）计数值等。

X射线波粒二相性

21
1. X射线波动性：反映物质运动的连续性； X射线粒子性：反映物质运动分立性。 2. 对同一辐射所具有的波动性与粒子性的描述： ① 可用时间和空间展开的数学形式来描述； ② 可用统计学法确定某时间、位置粒子出现概率来描述。 因此，须同时接受波动和粒子两种模型。


美国热电瑞士ARL公司

28
新型陶瓷X光管 X-ray Tubes
Ceramic Tube（陶瓷光管）
Glass Tube（玻璃光管）
Possible targets are Cu, Cr, Fe, Co or Mo 可有的靶材为： Cu，Cr，Fe，Co 或Mo
三、X射线光管分类



E h hc
P h h / c
ν－X射线频率； h－普朗克常数（6.626×10-34 J· s） c－ X射线传播速度（2.998×108m/s）

1.1X射线物理基础1

1.1X射线物理基础1

i1
λ λ
16
短波限λº的形成
量子理论解释
eV h max hc
0
hc 12.4 1.24 1240 A nm nm eV V (kV) V (kV) V (V)
短波限只与管电压有关，不受其它因素 影响。
17
特征（标识）X射线谱
特点：
– 具有特定的波长。 – 叠加在连续X-ray谱上。 – 当管电压超过某一特定值Vk时产生。
32
X射线的吸收
宏观强度衰减规律 I＝I0e－lx
l－线吸收系数： 表示单位厚度的物质对X射线的吸收； l ＝ m， m－质量吸收系数： 表示单位质量物质对X射线的吸收 与吸收体的原子序数及X射线波长有关，与吸 收体的密度（疏密，比如气体还是固体）无关
33
不同原子序数、不同光子能量下，衰 减系数各成分所占的主要区段
其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部 分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。 10
11
同步辐射X射线
高能电子束的产生与加速 高能电子束以接近光速的速度沿圆形轨道 运动，产生电磁辐射 非常昂贵，多用户，国家投资
12
同步辐射X射线光特点
• • • • • • • •
辐射光的波长覆盖面大且连续 可调 具有很高的亮度 有强的辐射功率 有好的准直性 脉冲光源，有特定的时间结构 同步辐射是偏振光 同步辐射是“光谱纯”的光 高度稳定性 可计算性
31
电子对生成
作用对象： X-射线与物质原子在原子
区相互作用
过程：
X-射线光子的能量 >1.02 MeV
产生电子对（一个电子和一个正电子）
二者静止质量所对应于的能量各为：

材料分析方法-1-课件

材料分析方法-1-课件
X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
31
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
1
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤

第一章1.1 X射线物理基础

第一章1.1 X射线物理基础

⑶且波长取决于阳极靶元素的原子序数
• 不同阳极材料，有不同的标识谱波长，即对某一特定材料，具有波长恒定 的标识谱。遵循莫塞来定律（X-ray成分分析基础）
• 莫塞莱定律 • 莫塞莱发现同系特征X射线的波长,随阳极靶的原子序数 的增加而变短,在射线频率V的平方根和原子序数Z之间 存在线性关系,即:
1
Compton-Wu散射 ---X射线粒子性的证明 λ′ 入射X射线光子
与原子中受核束 缚较弱的电子发 生碰撞。
2）非相干散射
λ
散布于各个方向 的散射波波长互 不相同，与入射 波的相位不存在 确定关系，不能 互相干涉。 形成连续背底， 不利于衍射分析
• 非相干散射
• 当X射线冲击束缚力不大的电子或自由电子时，可以产生另一种散
+W衰减
1、X射线的散射
散射：x-ray光子与物质中的电子相遇时改 变了原来传播方向，造成了在原来传播方向 上强度减弱的现象称为散射 可分为：相干散射 非相干散射
1）.相干散射
产生：
• X射线是一种电磁波,当它通过物质时,在入射束电
场的作用下,物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置
发生震动,并在运动期间被连续地加速和减速.同时向其 四周辐射出与入射线同频率的电磁波,即入射波将自身 的能量传给了电子,而电子又将该能量转化为与入射波 长相同的散射X射线.
2、X射线的吸收
物质对x-ray的吸收，指的是x-ray能量在通过物质时转变为 其它形式的能量，对x-ray而言，也就是发生了能量损耗。
物质对x-ray的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。
发生x-ray的光电效应和俄歇效应，使x-ray的部分能量转变 成为光电子、荧光x-ray及俄歇电子的能量，故x-ray的强度 被衰减。

X射线物理学基础PPT课件

X射线物理学基础PPT课件

m K 43Z 3
μm
01—X射线物理学基础
μm
LІ LⅢ
LⅡ K
λ 理想μm随入射波长的变化
（Z一定）
λ 实际μm随入射波长的变化
（Z一定）
每种物质都有本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收 系数曲线称为该物质的吸收谱。吸收限的存在暴露了吸收的本质。
敦德励学 知行相长
μm
LІ LⅢ
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
敦 知材料研德究方法 第一行章 X射励线的物理特性 相学 长
敦德励行 知行相长
01—X射线物理学基础
1895年，德国物理学家伦琴（Rontgen W.C） 在研究阴极射线时发现了X射线。1901年，首届诺 贝尔物理学奖授予伦琴， 以表彰他发现了对物理 学界有重大影响意义的X射线。 X射线、放射性和 电子被称为世纪之交的三大发现。
1917 年 ， 英 国 巴 克 拉，发现了标识X射 线。
1921年，爱因斯坦， 光电效应。
1924年，瑞典卡尔·西 格班，X射线光谱学。
1937 年 ， 美 国 戴 维 森 和 英 国 G.P.汤姆孙，用晶体对电子进 行衍射。
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
劳埃在1912年进行的晶体衍射实验 结果证明：X射线是一种波长很短的电磁 波，也揭示了物质内部原子规则排列的 特性。
卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、 沉睡了一百年的手稿。
大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最 后的实验时，已年近七十。
敦德励学 知行相长
A eC
U
X射线
i
kV 220V
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础

第一章_X射线物理学基础

第一章_X射线物理学基础




它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对 轻元素。
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（2）X射线的吸收

物质对X射线的吸收：X射线能量 在通过物质时转变为其它形式的 能量，X射线发生了能量损耗。 主要表现在对物质原子中的内层

光随后产生的各种过 程。

它主要包括光电效应（二次特征 幅射）和俄歇效应等。

物质中的电子在X射线电场的作用下，产生
强迫振动。

这样每个电子在各方向产生与入射X射线同 频率的电磁波。
新的散射波之间发生的干涉现象称为相干

散射。
37
X射线的散射
②非相干散射 （incoherent scattering 量子散射）

X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电 子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方 向，能量减小，波长增加的非相干散射波。 非相干散射是康普顿（ pton）和我国物理学家吴 有训等人发现的，亦称康普顿-吴有训效应。 非相干散射突出地表现出 X射线的微粒特性，只能用量子 理论来描述，亦称量子散射。
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特征（标识）X射线谱
莫塞莱定律

标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的 原子能级结构，是物质的固有特性。

莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z 关系为：
1

C Z
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特征（标识）X射线谱
特征X射线的强度特征

K系特征X射线的强度I与管电压U、管电流i的关系 为：
国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1nm=10Å=10-9m 1kX=1.0020772±0.000053Å (1973年值)。
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图1-5 特征X射线产生示意图
19
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱
由于L层内还有能量差别很小的亚能级，不同亚能级的电子 跃迁将辐射K1和K2射线。若M层电子向K层空位补充，则 辐射波长更短的 K 射线。特征 X射线的频率可由下式计算
h = W2W1 = (-En2) (-En1) (1-8)
m为单位面积厚度为 t 的体积中物质 的质量。因此 ，m 的物理意义是X射 线通过单位面积单位质量物质的强度 衰减量 它避开了密度的影响，可以作为反映 物质本身对X射线吸收性质的物理量
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习题
X射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为 1 mm，试计算这种铅屏对Cr Kα、Mo Kα 辐射的透射系数各为多少？ 已知ρPb=11.34 g/cm3 注：各元素的质量吸收系数见附录B，书 本P324~325页
一、衰减规律和吸收系数 单位体积内物质量随其密度而异，因此对于一确定的物质 l 并不是常量，为表达物质本质的吸收特性，采用质量吸收系 数m= l / ( 是吸收物质的密度)，代入式(1-12)可得
I I 0e m t I 0e mm
(1-14)
图1-7 X射线强度随透入 深度的变化
2
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章 电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜 第十四章 电子背散射衍射分析技术 第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其他显微分析方法
3
绪
论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础 本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 由图1-3可见，连续 X 射线谱的特点是，X 射线的波长存 在最小值SWL，其强度在m处有最大值 当管电压U 升高时，各波长X射线的强度均提高，短波限 SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL 和m保持不变 随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高， 但SWL和m保持不变
6
比较一下各图的差别
2θ
KeV
7
课题讨论
• 你所了解的材料表征方法与技术，优 缺点
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第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
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1.74346
1.60815 1.48807 1.28059 0.61978
6.40
6.93 7.47 8.04 17.44
25~30
30 30~35 35~40 50~55
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注：K= ( 2K1+ K2 ) / 3
第三节 X射线与物质的相互作用
一、衰减规律和吸收系数 如图1-6，强度为I0的X射线照射厚度为t的均匀物质上， 穿过深度为x处的dx厚度时的强度衰减量dIx/Ix与dx成正比，
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第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱
表1-1 几种阳极靶材及其特征谱参数 靶 材 Cr Z 24 K系列特征谱波长/0.1nm K1 2.28970 K2 2.29361 K 2.29100 K 2.08487 K 吸收限 K/0.1nm 2.07020 UK /kV 5.43 U适宜 /kV 20~25
第一篇 材料X射线衍射分析
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
李鸿章在X光被发现后仅7 个月就体验了此种新技术， 成为拍X光片检查枪伤的 第一个中国人。
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• 1912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中 的衍射现象，为物质结构研究提供了一种崭新的 方法，后来发展成为X射线衍射学 • 1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反 射”X射线的概念，推导出至今被广泛应用的布 拉格方程 • 1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有 定量的对应关系，这一原理应用于材料成分检测 • X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、 精细结构研究和晶体取向测定等； • X射线学三大分支：透射学，衍射学，光谱学。
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱 当 X射线管压高于靶材相应的某一特征值UK 时，在某些 特定波长位置上， 将出现一系列强度很高、波长范围很窄的 线状光谱，称为特征谱或标识谱， 本曲线是那种材料的？ 见图1-4；其波长与阳极靶材的原 子序数有确定关系，见式(1-6) ， 故可作为靶材的标志和特征，
Fe
Co Ni Cu Mo
26
27 28 29 42
1.93604
1.78897 1.65791 1.54056 0.70930
1.93998
1.79285 1.66175 1.54439 0.71359
1.93736
1.79026 1.65919 1.54184 0.71730
1.75661
1.72079 1.50014 1.39222 0.63229
式中， W2、W1分别为电子跃迁前后原子激发态能量， En2 和En1是所在壳层上的电子能量。根据经典原子模型，原子 内电子分布在一系列的壳层上，最内层(K层)能量最低，按 L、 M、N、顺序递增
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第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱 在莫塞莱定律 (1-6)式中，
1 1 m e4 1 1 2 K2 R 2 2 3 2 2 8 0 h c n2 n1 n2 n1
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素 I连 = K1iZU2 式中，K1 是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率 (1-4)
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射 线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极 (Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时 大部分能量消耗使靶发热
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
图1-1 电磁波谱
分辨率与波长的关系
11
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象 X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象 X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线 X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似 X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
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第三节 X射线与物质的相互作用
一、衰减规律和吸收系数 复杂物质的质量吸收系数
对于多元素组成的复杂物质，如固溶体、化合 物和混合物等，其质量吸收系数仅取决于各组元 的质量系数mi及各组元的质量分数wi ，即
习题
m mi wi
i 1
n
(1-15)
厚度为1mm的铝片能把某单色Ⅹ射线束的强度降低 为原来的23.9％，试求这种Ⅹ射线的波长。试计算含 Wc＝0.8％，Wcr＝4％，Ww＝18％的高速钢对 26 Mo Kα辐射的质量吸收系数。
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第二节 X射线的产生及X射线谱
为什么连续X射线谱存在短波限SWL？
用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部 能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即 为SWL，
eU = hmax = hc /SWL
SWL= K /U
图1-2 X射线管结构示意图
产生两种谱线：连续和 特征X射线
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
短波限SWL
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响
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材料科学研究方法
主 讲 李 伟 洲
wzli@
广西大学材料学院 教 材 材料分析方法
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本教材主要内容
绪 论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向
第三章 X射线衍射强度
第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制
本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适 的分析方法解决实际工作中的问题 4
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰 撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同 波长的X射线，构成连续谱 习题：计算当管电压为50 kv时，电子在与靶碰撞时的速度 与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能。 17 电子静止质量9.1X10-31 Kg，电子电量 1.602X10-19 C

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K2 (Z )
(1-6)